Sonofragmentation – Die Wirkung von Leistungsultraschall auf den Partikelbruch

Sonofragmentation bezeichnet das Zerbrechen von Partikeln in nanoskalige Fragmente durch Hochleistungsultraschall. Im Gegensatz zur üblichen Deagglomeration und Zerkleinerung durch Ultraschall – bei denen Partikel hauptsächlich durch Kollisionen untereinander zerkleinert und voneinander getrennt werden – zeichnet sich die Sonofragmentation durch die direkte Wechselwirkung zwischen Partikel und Stoßwelle aus. Hochleistungsultraschall mit niedriger Frequenz erzeugt Kavitation und dadurch intensive Scherkräfte in Flüssigkeiten. Die extremen Bedingungen beim Kollaps von Kavitationsblasen und bei Kollisionen zwischen Partikeln zerkleinern diese zu sehr feinem Material.

Herstellung und Aufbereitung von Nanopartikeln mit Ultraschall

Die Wirkungen von Leistungsultraschall bei der Herstellung von Nanomaterialien sind bekannt: Dispergieren, Deagglomerieren, Mahlen und Zerkleinern sowie Fragmentieren durch Beschallung sind häufig die einzigen wirksamen Methoden zur Behandlung von Nanopartikeln. Dies gilt insbesondere für sehr feine Nanomaterialien mit besonderen Funktionalitäten, da sich bei nanoskaligen Größen einzigartige Partikeleigenschaften ausprägen. Um Nanomaterialien mit spezifischen Funktionalitäten herzustellen, muss ein gleichmäßiger und zuverlässiger Beschallungsprozess gewährleistet sein. Hielscher liefert Ultraschallgeräte vom Labormaßstab bis zur großtechnischen Produktion.

Sonofragmentation durch Kavitation

Das Einbringen starker Ultraschallkräfte in Flüssigkeiten erzeugt extreme Bedingungen. Wenn sich Ultraschall in einem flüssigen Medium ausbreitet, bewirken die Ultraschallwellen abwechselnde Kompressions- und Expansionszyklen (Hochdruck- und Niederdruckzyklen). Während der Niederdruckzyklen entstehen kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit. Diese Kavitationsblasen wachsen über mehrere Niederdruckzyklen hinweg, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie aufnehmen können. In diesem Zustand maximaler Energieaufnahme und Blasengröße kollabiert die Kavitationsblase heftig und erzeugt lokal extreme Bedingungen. Durch die Implosion der Kavitationsblasen werden lokal sehr hohe Temperaturen von etwa 5000K und Drücke von etwa 2000atm erreicht. Die Implosion erzeugt Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentation bezeichnet die Nutzung dieser intensiven Kräfte, um Partikel in kleinere Fragmente im Submikrometer- und Nanobereich zu zerlegen. Mit fortschreitender Beschallung verändert sich die Partikelform von kantig zu kugelförmig, wodurch die Partikel an Wert gewinnen. Die Ergebnisse der Sonofragmentation werden als Fragmentierungsrate angegeben, die als Funktion des Leistungseintrags, des beschallten Volumens und der Agglomeratgröße beschrieben wird.
Kusters et al. (1994) untersuchten die ultraschallunterstützte Fragmentierung von Agglomeraten im Hinblick auf ihren Energieverbrauch. Die Ergebnisse der Forschenden „zeigen, dass das Dispergieren mit Ultraschall ebenso effizient sein kann wie herkömmliche Mahlverfahren. Die industrielle Praxis des Dispergierens mit Ultraschall (z.B. größere Sonotroden, kontinuierlicher Durchsatz der Suspension) kann diese Ergebnisse etwas verändern. Insgesamt ist jedoch zu erwarten, dass nicht der spezifische Energieverbrauch den Ausschlag für die Wahl dieses Zerkleinerungsverfahrens gibt, sondern seine Fähigkeit, extrem feine Partikel im Submikrometerbereich zu erzeugen.“ [Kusters et al. 1994] Insbesondere bei Pulvern, die durch Erosion abgetragen werden, wie Siliziumdioxid oder Zirkoniumdioxid wurde festgestellt, dass der spezifische Energiebedarf pro Masseneinheit des Pulvers beim Ultraschallmahlen geringer ist als bei herkömmlichen Mahlverfahren. Die Ultraschallbehandlung wirkt auf die Partikel nicht nur durch Mahlen und Zerkleinern, sondern auch durch Polieren der Feststoffe. Dadurch lässt sich eine hohe Sphärizität der Partikel erreichen.

Sonofragmentation zur Kristallisation von Nanomaterialien

„Obwohl kaum Zweifel daran bestehen, dass in ultraschallbehandelten Suspensionen molekularer Kristalle Kollisionen zwischen Partikeln auftreten, sind diese nicht die vorherrschende Ursache der Fragmentierung. Im Gegensatz zu molekularen Kristallen werden Metallpartikel durch Stoßwellen nicht direkt beschädigt und können nur durch die intensiveren, aber wesentlich selteneren Kollisionen zwischen Partikeln beeinflusst werden. Der Wechsel der vorherrschenden Mechanismen bei der Beschallung von Metallpulvern gegenüber Aspirinsuspensionen verdeutlicht die unterschiedlichen Eigenschaften verformbarer Metallpartikel und brüchiger molekularer Kristalle.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentation von Aspirinpartikeln [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) untersuchten die Herstellung hochreiner Aluminiumoxid-Keramikpartikel im Submikrometerbereich (überwiegend unter 100 nm) aus mikrometergroßem Ausgangsmaterial (z.B. 70–80 μm) mittels Sonofragmentation. Sie beobachteten eine deutliche Veränderung der Farbe und Form der Aluminiumoxid-Keramikpartikel infolge der Sonofragmentation. Partikel im Mikrometer-, Submikrometer- und Nanobereich lassen sich durch Hochleistungsbeschallung leicht herstellen. Die Sphärizität der Partikel nahm mit zunehmender Verweilzeit im Schallfeld zu.

Dispergieren in Tensiden

Aufgrund des wirksamen Partikelbruchs durch Ultraschall ist der Einsatz von Tensiden unerlässlich, um die Deagglomeration der erzeugten Partikel im Submikrometer- und Nanobereich zu verhindern. Je kleiner die Partikelgröße, desto größer ist das Oberflächenverhältnis. Die Oberfläche muss mit Tensid bedeckt werden, um die Partikel in Suspension zu halten und ihre Koagulation (Agglomeration) zu vermeiden. Der Vorteil der Ultraschallbehandlung liegt in ihrer dispergierenden Wirkung: Gleichzeitig mit dem Mahlen und Fragmentieren dispergiert der Ultraschall die zerkleinerten Partikelfragmente mit dem Tensid, sodass die Agglomeration der Nanopartikel (fast) vollständig vermieden wird.

Industrielle Produktion

Um den Markt mit hochwertigen Nanomaterialien mit außergewöhnlichen Funktionalitäten zu versorgen, ist zuverlässige Prozesstechnik erforderlich. Ultraschallgeräte mit bis zu 16kW pro Einheit, die sich zu Verbünden zusammenschalten lassen, ermöglichen die Verarbeitung praktisch unbegrenzter Volumenströme. Dank der vollständig linearen Skalierbarkeit von Ultraschallprozessen lassen sich Ultraschallanwendungen risikofrei im Labor testen, im Technikumsmaßstab optimieren und anschließend problemlos in die Produktionslinie integrieren. Da die Ultraschallgeräte wenig Platz benötigen, können sie auch in bestehende Prozessströme nachgerüstet werden. Die Bedienung ist einfach; der Betrieb lässt sich per Fernsteuerung überwachen und steuern. Der Wartungsaufwand für ein Ultraschallsystem ist dabei nahezu vernachlässigbar.

Partikelgrößenverteilung und REM-Aufnahmen einer Legierung auf Bi2Te3-Basis vor und nach dem Ultraschallmahlen. a – Partikelgrößenverteilung; b – REM-Aufnahme vor dem Ultraschallmahlen; c – REM-Aufnahme nach 4 h Ultraschallmahlen; d – REM-Aufnahme nach 8 h Ultraschallmahlen.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatur / Quellen

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.